Трехфазный асинхронный двигатель

Электрические двигатели, подключаемые к источнику трехфазного электропитания, получили широкое распространение в производственном оборудовании, мощном электроинструменте и различных машинах. Их преимущество — высокая мощность при отсутствии выбросов токсичных газов во время работы.

Как устроен асинхронный трехфазный электродвигатель, какие правила его подключения существуют — в этой статье.

Конструкция

Принципиально асинхронный трехфазный двигатель состоит из двух основных частей:

• Статор. Неподвижная часть, представляющая собой комбинацию корпуса, системы охлаждения и обмоток.

• Ротор. Подвижная часть, вращающаяся во время работы под воздействием наведенного обмотками электромагнитного поля. Закрепляется в корпусе электромотора на системе подшипников. Герметичность достигается применением сальников. Вал выходит за пределы корпуса. Что позволяет подключать к нему полезную нагрузку.

Классические трехфазные асинхронные двигатели оснащаются ротором, выполненным из металлических стержней. Из них изготавливается так называемая «беличья клетка». Рассчитан ротор на весь срок службы. Замена по мере выработки ресурса предусмотрена только для подшипников и сальников.

Напряжение на ротор не подается. Что заметно упрощает конструкцию и увеличивает надежность. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором можно эксплуатировать в особо сложных условиях: экстремальные температуры, влажность. В отличие от моделей с токосъемным кольцом, он не имеет постоянно трущихся частей.

Принцип действия

Принцип действия основан на способности обмотки генерировать магнитное поле при прохождении по ней электрического тока. В трехфазном моторе их три. Каждая подключается к своей линии фазы.

При подаче качественного электропитания:

• Каждая фаза имеет правильную, синусоидальную форму импульсов электрического тока. При этом частота смены направления соответствует 50 Гц. Это определено в ГОСТ. Таким образом, за каждую секунду ток в обмотке меняет направление течения 50 раз. Одновременно происходит смена полюсов ее магнитного поля.

• Сдвиг фаз составляет 120°. Упрощенно говоря, если наложить графики импульсов трехфазного напряжения, пики синусоид будут расположены последовательно с равным интервалом.

Теперь перейдем к магнитным полям обмоток трехфазного двигателя переменного тока. Обмотки располагают внутри корпуса на равном удалении от ротора и со сдвигом в 120°. При верном подключении фаз наводимое такой системой катушек электромагнитное поле можно представить как равномерно вращающееся.

Ротор из металла с магнитными свойствами будет разгоняться равномерно под воздействием вращающегося магнитного поля. При этом скорость не будет расти безгранично. В какой-то момент ее рост прекратится и она будет оставаться стабильной. Этот предел определяется скоростью вращения электромагнитного поля. Он может быть изменен только за счет увеличения/уменьшения частоты переменного напряжения с помощью преобразователя. О чем мы расскажем ниже.

Стабильная скорость вращения ротора отстает от частоты смены фаз на величину скольжения. Это отставание устранить нельзя, так как оно обусловлено трением и рядом других противодействующих сил. Поэтому двигатели этого типа называют асинхронными. Название указывает именно на разницу скорости вращения ротора и электромагнитного поля, наводимого обмотками.

Особенности подключения

Как описано выше, для эффективной работы трехфазного асинхронного двигателя важно соблюдение принципа точного сдвига фаз. Это позволяет раскручивать ротор последовательно, что положительно сказывается на эффективности работы электромотора. Поэтому при подключении нужно соблюдать соответствие обмоток и номеров фаз.

В большинстве моделей моторов асинхронного типа для подключения используется 6 выводов. Обычно производитель располагает их в виде матрицы 2×3. Она составлена из трех пар выводов: начала и концы обмотки. Назначение можно обнаружить на металлической табличке, прикрепленной к корпусу мотора.

Если инструкция утеряна, выводы начал и концов обмоток определяют экспериментально. Для этого можно использовать простое диагностическое приспособление в виде источника тока, лампочки и пары проводов. Для работы достаточно однофазного переменного напряжения. При подключении такой системы к началу и концу обмотки, обладающей сравнительно невысоким сопротивлением, лампочка загорится.

Важный момент: описанным способом можно определить принадлежность выводов к одной катушке. Но выяснить, какой из них начало, а какой — конец, заметно сложнее. Проще найти схему аналогичной модели в открытом доступе, на специальных форумах.

Обозначение фаз

Со стороны источника фазы обозначаются L1, L2, L3 или с использованием иного стандарта. Проверить качество подаваемого питания можно с помощью осциллографа и вольтметра.

Начала и концы обмоток могут обозначаться одним из двух основных стандартов:

• Номер обмотки обозначается буквами u, v, w. Порядок вывода: начало/конец — цифрой 1/2. Таким образом, в этом стандарте первая обмотка имеет выводы u1 и u2. При схеме треугольник, например, u2 подключается к v1, v2 к w1, w2 к u1.

• Используется буква С и цифра — от 1 до 6. Первые, от 1 до 3, выводы соответствуют началам обмоток, остальные — концам. Например, первая — С1, С4. В схеме треугольник С4 подключают к С2, С5 к С3, а С6 к С1.

Схемы подключения

После определения номеров фаз и порядка следования обмоток выполняется подключение по одной из двух возможных схем.

• Треугольник. Конец первой обмотки подключен к началу второй и так далее. На электрической схеме катушки образуют правильный треугольник. Чем и обусловлено название метода подключения. Выводы фаз подключаются к вершинам этого треугольника.

• Звезда. Концы всех обмоток сходятся в одной точке. При подключении в клеммной коробке они соединяются жесткими перемычками, идущими в комплекте с мотором. Фазы подключаются к началам обмоток.

Первый способ — треугольник, обеспечивает больший крутящий момент. Его используют в мощных агрегатах. Но большая мощность влечет увеличение нагрева обмоток и корпуса. Увеличивается и нагрузка на электросеть, к которой подключен агрегат. Особенно это заметно в момент пуска электромотора.

Второй способ — звезда, не позволяет достигать максимально возможной мощности электромотора. Но при этом заметно снижает нагрузку на электросеть, сравнительно уменьшает нагрев при работе.

Интересная особенность метода подключения «звезда» состоит в меньшей критичности точного определения начал и концов обмоток. Часто он является единственной надежной схемой при подаче напряжения на мотор с неизвестной схемой выводов. В некоторых случаях даже разбор корпуса не позволяет выявить начала и концы обмоток. Но мощность электромотора, в сравнении со схемой «треугольник», будет ниже.

Повышение эффективности работы электромотора

Для повышения эффективности работы трехфазного асинхронного электродвигателя на этапе пуска и после выхода на рабочий режим используют три метода:

• Смена варианта подключения на ходу. В этом случае подключение обмоток к фазам выполняется через клеммный блок с возможностью переключения положения перемычек. В момент старта используется схема звезда. Она позволяет эффективно разогнать ротор. Затем оператор или автоматика выполняют переключение клеммного блока. Что приводит к соединению обмоток по типу треугольника. Мощность и крутящий момент увеличиваются.

• Установка преобразователя частоты. Управляя частотой, можно влиять на скорость вращения ротора. Это свойство используется в устройствах плавного пуска. Во время пуска оно постепенно увеличивает частоту по заранее заданному алгоритму. Ротор раскручивается равномерно. Отбор мощности из электросети имеет менее выраженный характер. Что позволяет не нарушать стабильность электропитания других приборов, к ней подключенных.

Подходящий вариант подключения выбирается исходя из мощности агрегата и особенностей его эксплуатации. Современные устройства плавного пуска отличаются низкими потерями энергии и удобным форм-фактором в виде модуля для установки на DIN-рейку. Их удобно устанавливать в щит управления электромотором, насосной станцией и так далее.

Относительно возможности подключения трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети следует отметить следующее:

• Подключение напрямую невозможно. Необходимый для эффективной работы угол сдвига фаз обеспечить без специальных устройств невозможно.

• Подключение через преобразователь частоты возможно. При условии, что его производителем заявлена возможность работы от однофазного напряжения. На выходе можно получить трехфазный электроток с правильной формой импульсов.

• Подключение через конденсатор. Использование конденсаторов позволяет имитировать три фазы при использовании однофазного напряжения. Но потери энергии будут значительно выше, чем при использовании преобразователя частоты. В схеме используются два конденсатора: пусковой и рабочий. Емкость приблизительно подбирается по специальным формулам, учитывающим мощность агрегата.

При использовании любой из двух описанных выше схем подключения трехфазного двигателя к однофазной сети необходимо использовать схему «треугольник». При этом важно, чтобы производитель заявлял возможность использования 220 В. В этом случае на табличке, прикрепленной к корпусу, можно увидеть обозначение 220/380 В с указанием типа подключения: треугольник/звезда.

Обслуживание и ремонт

Как было отмечено выше, асинхронные электрические двигатели отличаются высокой надежностью. Реальный срок службы зависит от качества изготовления мотора и условий его эксплуатации. Постоянная повышенная нагрузка ускоряет выход электромотора из строя. 

Также важно обеспечивать нормальный режим эксплуатации. Прежде всего предусматривают чередование циклов работы и отдыха оборудования. Для раннего выявления неисправностей применяется следующий способ диагностики, операции которого проводятся в начале каждой рабочей смены:

• Осмотр. Выявляется наличие потеков масла, других загрязнений, механических повреждений на корпусе, оболочке проводов.

• Проверка свободы вращения вала. Проверяется отсутствие сопротивления при проворачивании ротора вручную. Наличие скрипов, скрежета укажет на выход из строя подшипников. Это расходные материалы, заменяемые до нескольких раз за срок службы агрегата. Максимальный ресурс при реальной эксплуатации редко превышает 5 лет. В то время как сам агрегат может проработать 10 лет и более.

• Проведение ТО. Типичный регламент предусматривает проведение этих работ не реже одного раза в 3 месяца. Но при эксплуатации в пыльных помещениях интервал сокращают в два раза — до 1,5 месяцев.

Еще одна распространенная неисправность асинхронных электрических трехфазных двигателей — нарушение изоляции обмотки. Косвенно наличие проблем можно обнаружить по снижению мощности мотора и наличию посторонних шумов в его работе, перегреве.

Объективная оценка исправности обмоток выполняется с помощью мегаомметра. Этим прибором определяют их сопротивление, сравнивают его с нормальным для этого типа электромоторов. Установить норму можно экспериментально. Например, измерив сопротивление на новом электродвигателе. Или запросить информацию у производителя.

При выявлении неисправности обмотки мотор демонтируется. При этом он отключается от агрегата. Большинство промышленных насосов допускают такую возможность. Поскольку в их конструкции используется разборное соединение валов: муфта, фланец, ремень, цепь.

Восстановление работоспособности трехфазного асинхронного электродвигателя возможно с помощью так называемого «перематывания обмоток». Процесс состоит в замене проволоки катушки на новую. При этом желательно использовать ту же площадь сечения жилы и длину. Что позволяет обеспечить оптимальные условия работы.

Крупные предприятия выполняют перемотку электромоторов самостоятельно. Для этого на территории организуется мастерская со специальным оборудованием. В некоторых случаях экономически эффективнее прибегнуть к услугам специализированных организаций.

Автор статьи: Александр Шихов